intTypePromotion=1

Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển mô hình Aquaponics dựa trên công nghệ IoT

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

0
72
lượt xem
5
download

Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển mô hình Aquaponics dựa trên công nghệ IoT

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày việc thiết kế hệ thống giám sát các thông số môi trường và điều khiển thiết bị trong mô hình aquaponics dựa trên công nghệ Internet vạn vật (Internet of Things - IoT). Hệ thống này cho phép người dùng giám sát và điều khiển hoạt động của các thiết bị thông qua ứng dụng trên điện thoại thông minh, gồm: 3 máy bơm lưu thông dòng nước, 3 máy ôxy, cảm biến pH, cảm biến ôxy hòa tan (DO), cảm biến nhiệt độ và cảm biến độ ẩm không khí, quạt thông gió và phun sương.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển mô hình Aquaponics dựa trên công nghệ IoT

  1. Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ – Natural Sciences, 4(4):xxx-xxx Open Access Full Text Article Bài nghiên cứu Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển mô hình Aquaponics dựa trên công nghệ IoT Nguyễn Chí Nhân1,2,* , Nguyễn Phước Hoàng Khang2 , Nguyễn Hoàng Quân1 , Nguyễn Văn Hiếu1 , Hồ Thanh Huy1 TÓM TẮT Bài báo này trình bày việc thiết kế hệ thống giám sát các thông số môi trường và điều khiển thiết bị trong mô hình aquaponics dựa trên công nghệ Internet vạn vật (Internet of Things - IoT). Hệ thống Use your smartphone to scan this này cho phép người dùng giám sát và điều khiển hoạt động của các thiết bị thông qua ứng dụng QR code and download this article trên điện thoại thông minh, gồm: 3 máy bơm lưu thông dòng nước, 3 máy ôxy, cảm biến pH, cảm biến ôxy hòa tan (DO), cảm biến nhiệt độ và cảm biến độ ẩm không khí, quạt thông gió và phun sương. Các thiết bị này đều được giám sát và điều khiển theo hai chế độ: tự động và điều khiển bằng tay. Đối với 3 máy bơm lưu thông dòng nước và 3 máy ôxy, ở chế độ tự động, cho phép người dùng có thể thiết lập thời gian bơm luân phiên giữa các máy bơm và giữa các máy ôxy. Ở chế độ n điều khiển bằng tay, cho phép điều khiển các máy bơm, máy ôxy bằng nút nhấn trên ứng dụng trên điện thoại thông minh. Giám sát độ pH, nồng độ DO và cho phép người dùng đặt ngưỡng io pH, DO để đưa ra cảnh báo khi độ pH, DO vượt ngưỡng. Giám sát các thông số nhiệt độ, độ ẩm không khí trong nhà màng và cho phép đặt ngưỡng nhiệt độ và độ ẩm để điều khiển tương ứng quạt thông gió và phun sương khi nhiệt độ và độ ẩm vượt ngưỡng cho phép. Hệ thống này được thử nghiệm tại trang trại aquaponics - Đồng Tháp Aqua. Kết quả thử nghiệm bước đầu cho thấy 1 Khoa Vật lý - Vật lý Kỹ thuật, Trường vững. ct hệ thống hoạt động ổn định và đem lại nhiều lợi ích đáng kể cho mô hình aquaponics. Bên cạnh đó cũng góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo sự phát triển nông nghiệp xanh bền Từ khoá: Internet vạn vật (IoT), hệ thống giám sát, điều khiển từ xa, aquaponics re Đại học Khoa học Tự Nhiên, ĐHQG-HCM 2 Phòng thí nghiệm Thiết kế vi mạch, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, or ĐHQG-HCM GIỚI THIỆU và phát triển hệ thống trồng rau sạch kết hợp nuôi cá dưới sự giám sát của người trồng thông qua phần Hiện nay, việc ứng dụng khoa học công nghệ tiên tiến Liên hệ mềm giám sát và điều khiển trên điện thoại thông vào lĩnh vực nông nghiệp đang được chú trọng và phát minh. Trong hệ thống trồng rau sạch theo công nghệ nc Nguyễn Chí Nhân, Khoa Vật lý - Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, triển. Trong đó đặc biệt các kỹ thuật đo lường, điều aquaponics thì ngoài việc kiểm soát sự phát triển của ĐHQG-HCM khiển và thu thập dữ liệu môi trường từ xa được ứng rau cần kiểm soát quá trình phát triển của cá, đảm Phòng thí nghiệm Thiết kế vi mạch, Trường dụng trong việc phát triển nông nghiệp công nghệ cao bảo sự cân bằng về môi trường phát triển cho cả hai Đại học Khoa học Tự Nhiên, ĐHQG-HCM nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo sự phát (rau và cá). Một hệ thống giám sát và điều khiển ứng U Email: ncnhan@hcmus.edu.vn triển nông nghiệp xanh bền vững. Cuộc cách mạng dụng công nghệ IoT trong nông nghiệp nói chung và Lịch sử Internet vạn vật (Internet of Things - IoT) đã tạo nên trong aquaponics nói riêng là cần thiết, nhằm nâng • Ngày nhận: 9-9-2020 những thay đổi đáng kể cho cuộc sống con người ở cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo sự phát triển nông • Ngày chấp nhận: 21-10-2020 hiện tại và trong tương lai. Với sự phát triển của In- • Ngày đăng: xx-10-2020 nghiệp xanh bền vững 1–6 . Đối với trong aquapon- ternet, điện thoại thông minh (smartphone) và đặc ics thì những thông số môi trường như: độ pH, nồng DOI : biệt là các thiết bị cảm biến, IoT đang trở thành xu độ DO, nhiệt độ nước, nhiệt độ và độ ẩm trong nhà hướng mới của thế giới. Việc giám sát các thông số màng, … có vai trò quan trọng, nó tác động lớn đến môi trường là một vấn đề rất quan trọng trong các tất cả các khía cạnh của aquaponics. Để đảm bảo cho ngành công nghiệp cũng như nông nghiệp. hệ thống aquaponics hoạt động ổn định và các sinh Bản quyền Hệ thống aquaponics cũng là một trong những hệ vật phát triển tốt thì cần phải thường xuyên kiểm tra © ĐHQG Tp.HCM. Đây là bài báo công bố thống nông nghiệp. Với nền tảng hệ thống trồng rau giám sát các thông số môi trường và cảnh báo để có mở được phát hành theo các điều khoản của the Creative Commons Attribution 4.0 sạch dựa trên mô hình canh tác aquaponics (trồng rau cách xử lý kịp thời. International license. kết hợp nuôi cá) đã được triển khai trên diện rộng, Trong phạm vi bài báo này chúng tôi tập trung nghiên đồng thời với xu thế ứng dụng IoT đang trở nên phổ cứu và thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển trong biến. Do đó cần thiết cho việc xây dựng giải pháp mô hình aquaponics ứng dụng công nghệ IoT. Hệ Trích dẫn bài báo này: Nhân N C, Khang N P H, Quân N H, Hiếu N V, Huy H T. Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển mô hình Aquaponics dựa trên công nghệ IoT . Sci. Tech. Dev. J. - Nat. Sci.; 4(4):xxx-xxx. 1
  2. Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ – Natural Sciences, 4(4):xxx-xxx thống này cho phép giám sát và điều khiển hoạt động mà không cần phải hiện diện ngay tại khu vực nuôi của các thiết bị thông qua ứng dụng trên điện thoại trồng. Đối với aquaponics, khoảng pH thích hợp là thông minh, gồm: 3 máy bơm lưu thông dòng nước, 3 từ 6 – 7, vì phạm vi pH này tốt cho cây rau và cá 9 . máy ôxy, độ pH, nồng độ ôxy hòa tan, nhiệt độ nước, Thông số DO trong nước có vai trò quan trọng trong nhiệt độ và độ ẩm không khí trong nhà màng, quạt hệ thống aquaponics nó tác động lớn đến các khía thông gió và phun sương. cạnh của aquaponics, đặc biệt là đối với sinh vật thủy sinh phụ thuộc vào DO để hô hấp. Lượng DO cao PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG giúp tăng hiệu quả hấp thụ và chuyển hóa chất dinh GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN dưỡng, từ đó thúc đẩy sự tăng trưởng và phát triển của cây trồng. Nâng cao nồng độ DO trong nước cũng Khảo sát, phân tích và đánh giá mô hình giúp cải thiện sức đề kháng của cây trồng để chống aquaponics chọi với các điều kiện bất lợi, từ đó làm giảm nguy Aquaponics là mô hình nuôi thủy sản kết hợp với cây cơ phát triển mầm bệnh. Trong hệ thống aquaponics, trồng thủy canh trong một hệ sinh thái tuần hoàn nồng độ DO tối ưu cho mỗi sinh vật phát triển mạnh nhân tạo sử dụng các chu trình tự nhiên với sự góp nằm trong khoảng từ 5 mg/L - 8 mg/L. Một số loài cá, mặt của vi khuẩn chuyển đổi chất thải của cá thành bao gồm cá chép và cá rô phi, có thể chịu được mức chất dinh dưỡng cho cây trồng. Đây được đánh giá là DO thấp tới 2 – 3 mg/L (theo nghiên cứu của Christo- một phương pháp tạo ra nguồn thực phẩm tự nhiên, pher Somerville và nhóm tác giả 9 ). n thân thiện với môi trường, khai thác các thuộc tính tốt Sơ đồ khối của mô hình aquaponics được trình bày nhất của nuôi trồng thủy sản tuần hoàn khép kín và trong Hình 1. Trong đó có ba bể nuôi thủy sản (B1, io trồng rau thủy canh 7–9 . Dòng nước giống như mạch B2, B3), một bồn hồi (H1), bồn vi sinh (VS) và bể lắng máu trong hệ thống Aquaponics, nó chảy từ bể cá qua (L1). lọc cơ, lọc vi sinh, đến khay trồng rau. Nếu dòng nước Nguyên lý hoạt động của mô hình aquaponics: Trong ct không lưu thông được thì sẽ làm giảm ôxy trong nước và tích tụ chất thải trong bể cá. Do đó cần phải đảm bảo lưu thông dòng nước và lượng ôxy hòa tan luôn một chu kỳ tuần hoàn liên tục, nước từ bồn hồi sẽ được bơm lên một trong các bể nuôi cá. Nước từ bể cá re sẽ thông qua hệ thống lọc cơ học, vi sinh và được đưa được duy trì ở mức thích hợp nhằm cung cấp cho thủy đến bể trồng rau thủy canh. Với sự góp mặt của vi sinh sinh phát triển tốt. Các nghiên cứu trước đây công bố có lợi chuyển đổi chất thải, nước thải từ bể cá thành trên các tạp chí uy tín, việc thiết kế và xây dựng hệ những chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sinh trưởng or thống dựa vào nguyên lý của Tiến sĩ Rakocy 7,8 . Mô và phát triển của rau. Nước sẽ tự động chảy từ bể rau hình aquaponic theo nguyên lý của Tiến sĩ Rakocy có thủy canh thứ nhất cho đến bể rau thủy canh thứ tư. hai vấn đề cần phải xem xét và hiệu chỉnh cho phù Cuối bể rau thủy canh thứ tư, nước cơ bản đã được nc hợp. Thứ nhất sử dụng máy bơm có công suất lớn làm tăng lượng điện tiêu thụ và chi phí sản xuất. Thứ hai lọc sạch và chảy về bồn hồi. Quy trình sẽ được lặp đi lượng nước ra từ các bể cá quá lớn (~22 m3 /giờ), thời lặp lại liên tục, nhờ đó tất cả hệ sinh vật làm việc cùng gian tuần hoàn nhanh, dẫn đến khó khăn cho vi sinh nhau tạo ra môi trường phát triển bền vững, cung cấp một hệ thống cân bằng, ổn định. Trong cùng một thời U chuyển đổi phân thải từ cá thành chất dinh dưỡng cần thiết cho cây rau. Trong trường hợp, hệ thống vi sinh điểm chỉ có một máy bơm nước từ bồn hồi lên bể cá. không thể chuyển hóa hết phân thải từ cá, từ hồi về sẽ Các máy được lập trình điều khiển để trong cùng một ảnh hưởng trực tiếp đến sinh trưởng và phát triển của thời điểm chỉ có một máy bơm nước từ bồn hồi lên bể đối tượng thủy sản. cá. Điều đó, giúp tiết kiệm chi phí điện và chất lượng Thông số pH là một trong những yếu tố có ảnh hưởng nước của bồn cá luôn đảm bảo cho sự sinh trưởng và rất lớn trực tiếp và gián tiếp đối với đời sống thủy phát triển của cá. sinh vật như: sinh trưởng, tỉ lệ sống, sinh sản và dinh dưỡng. Khi pH quá cao hay quá thấp đều không thuận Đề xuất thiết kế hệ thống giám sát và điều lợi cho quá trình phát triển của thủy sinh vật. Do khiển aquaponics đó cần phải có sự theo dõi và giám sát thông số này Qua quá trình khảo sát, phân tích và đánh giá hoạt thường xuyên để kịp thời xử lý nhằm đảm bảo quá động của mô hình aquaponics cho thấy rằng trong trình sinh trưởng và phát triển của thủy sản được tốt mô hình aquaponics cần có sự hiện diện của ba yếu tố hơn. Bộ giám sát và cảnh báo độ pH tự động cho phép như: cá, thực vật và vi khuẩn có lợi. Đối với cá thì cần người nuôi trồng thủy sản nắm được các thông số pH đảm bảo lưu thông dòng nước và cần theo dõi độ pH vào bất kỳ thời điểm nào trong ngày một cách nhanh và DO. Đối với thực vật thì cần đảm bảo lưu thông chóng, chính xác nhờ các thiết bị di động thông minh, dòng nước và giám sát nhiệt độ, độ ẩm không khí 2
  3. Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ – Natural Sciences, 4(4):xxx-xxx Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống aquaponics trong nhà màng. Đối với vi khuẩn có lợi thì cần có các loại thiết bị đo đạt chuyên dụng và cũng cần được theo dõi thường xuyên. Do đó cần có hệ thống giám sát các thông số môi trường, điều khiển tự động máy bơm lưu n thông dòng nước và máy ôxy ứng dụng công nghệ IoT nhằm tăng tính hiệu quả của hệ thống aquaponics. io Từ đó chúng tôi đề xuất thiết kế mô hình hệ thống giám sát và điều khiển trong aquaponics ứng dụng công nghệ IoT được trình bày trong Hình 2. Trong ct hệ thống này bộ điều khiển trung tâm được kết nối với các thiết bị để thu thập dữ liệu và điều khiển trong mô hình aquaponics. Sau đó bộ điều khiển trung tâm re truyền dữ liệu lên Cloud server trên Internet thông qua kết nối WiFi. Người dùng có thể điều khiển thiết bị và giám sát các thông số trong mô hình aquaponics or thông qua ứng dụng trên điện thoại thông minh. Các cảm biến pH, DO và cảm biến nhiệt độ nước được đặt trong bể nuôi thủy sản để giám sát độ pH, nồng Hình 3: Sơ đồ khối phần cứng bộ giám sát và điều độ DO và cảnh báo khi các thông số này vượt ngưỡng khiển aquaponics nc cho phép. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí được đặt trong nhà màng để đo thông số nhiệt độ, độ ẩm đồng thời điều khiển quạt gió và phun sương để đảm b/g/n 2.4GHz. Khối rơ le sử dụng module rơ le 5VDC bảo nhiệt độ và độ ẩm trong nhà màng được ổn định. U kích mức thấp dùng để đóng ngắt thiết bị. Khối nguồn Máy bơm đặt trong bồn hồi nhằm đảm bảo sự lưu gồm nguồn 9VDC và mạch giảm áp LM2596. thông dòng nước và máy oxy được bố trí nhằm đảm Bộ giám sát và điều khiển mô hình aquaponics sau khi bảo lượng ôxy hòa tan luôn được duy trì ở mức thích thi công hoàn chỉnh được trình bày như trong Hình 4. hợp cho thủy sản phát triển tốt. Thiết kế ứng dụng tích hợp hệ thống giám Thiết kế phần cứng bộ giám sát và điều sát và điều khiển khiển Trong hệ thống này chúng tôi sử dụng Blynk Cloud Sơ đồ khối phần cứng bộ giám sát và điều khiển mô Server 10 . Blynk là một nền tảng ứng dụng trên điện hình aquaponics được trình bày trong Hình 3. thoại thông minh được thiết kế chạy trên nền An- Trong đó, khối sensor gồm các cảm biến như: cảm droid và iOS. Blynk cho phép kết nối với các bo mạch biến pH, cảm biến oxy hòa tan (DO SV1.0), cảm biến vi điều khiển thông dụng như: Arduino, Raspberry, nhiệt độ và độ ẩm không khí (AM2315), cảm biến NodeMCU ESP8266,… Hệ thống Blynk bao gồm các nhiệt độ nước (Thermocouple RTD PT100). Khối thành phần như sau: MCU sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 Pro (Embed). Khối module WiFi sử dụng mod- • Blynk App: cho phép tạo các giao diện từ Wid- ule thu phát WiFi ESP8266 802.1, hỗ trợ chuẩn WiFi get có sẵn trên Blynk App được cài đặt trên điện 3
  4. Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ – Natural Sciences, 4(4):xxx-xxx n io Hình 2: Mô hình hệ thống giám sát và điều khiển trong aquaponics. ct re or nc U Hình 4: Bộ giám sát và điều khiển mô hình aquaponics hoàn chỉnh 4
  5. Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ – Natural Sciences, 4(4):xxx-xxx thoại thông minh. • Blynk Server: truyền tải thông tin giữa điện thoại thông minh và bo mạch điều khiển. • Blynk Libraries: thư viện cung cấp kết nối phần cứng với Blynk Server. Giao diện ứng dụng giám sát và điều khiển trên điện thoại thông minh sử dụng Blynk App được trình bày như trong Hình 5. Xây dựng chương trình điều khiển máy bơm và máy ôxy Bộ điều điều khiển và giám sát hoạt động của máy bơm lưu thông dòng nước và máy ôxy trong mô hình aquaponics, gồm hai chế độ hoạt động. Ở chế độ tự động (Auto), cho phép người dùng thiết lập thời gian bơm luân phiên giữa các máy bơm và giữa các máy ôxy, đồng thời giám sát trạng thái của máy bơm, máy n ôxy thông qua ứng dụng trên điện thoại thông minh. Đối với chế độ điều khiển bằng tay (Manual) thì cho io phép điều khiển máy bơm, máy ôxy bằng nút nhấn và Hình 6: Lưu đồ thật toán điều khiển máy bơm, máy giám sát trạng thái của máy bơm, máy oxy thông qua ôxy ứng dụng trên điện thoại thông minh. Loại máy bơm ct với công suất 88W và máy ôxy với công suất 55W được sử dụng cho hệ thống aquaponics. Hình 6 trình bày bày trong Hình 10 và Hình 11. Bên cạnh đó giám sát re lưu đồ thuật toán điều khiển máy bơm, máy oxy trong nhiệt độ nước trong bể thủy sản sử dụng cảm biến mô hình aquaponics. Giao diện ứng dụng giám sát và Thermocouple RTD PT100. điều khiển hoạt động của máy bơm và máy oxy cho hệ thống aquaponics được trình bày trong Hình 7. Xây dựng chương trình giám sát nhiệt độ và or độ ẩm không khí Xây dựng chương trình giám sát độ pH Nhiệt độ và độ ẩm trong nhà màng aquaponics cũng Bộ giám sát độ pH trong mô hình aquaponics được nc cần phải được đảm bảo ổn định để thúc đẩy sự tăng thiết kế với chức năng cho phép đặt ngưỡng trên, trưởng và phát triển của cây trồng và vật nuôi. Cảm ngưỡng dưới của pH và đưa ra cảnh báo khi độ pH biến nhiệt độ và độ ẩm AM2315 được sử dụng để giám vượt ngưỡng cho phép. Sử dụng cảm biến pH Ana- sát nhiệt độ và độ ẩm không khí trong nhà màng. log DFROBOT dùng để đo độ pH và giao tiếp với bo U Mode Auto, cho phép đặt ngưỡng nhiệt độ và độ mạch vi điều điều khiển trung tâm thông qua bo mạch ẩm không khí để điều khiển tự động tương ứng quạt giao tiếp pH meter. Cảm biến pH được kết nối với thông gió và phun sương. Mode Manual, cho phép đầu nối BNC trên bo pH meter và chân tín hiệu ana- điều khiển quạt thông gió và phun sương bằng nút log trên pH meter được kết nối với cổng analog của nhấn trên ứng dụng di động. Lưu đồ thật toán và mạch vi điều khiển trung tâm. Lưu đồ thuật toán và giao diện ứng dụng giám sát độ pH trong mô hình giao diện điều khiển quạt gió, phun sương dựa trên aquaponics được trình bày trong Hình 8 và Hình 9. nhiệt độ, độ ẩm không khí trong nhà màng aquapon- ics được trình bày như trong Hình 12 và Hình 13. Xây dựng chương trình giám sát nồng độ KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN HOẠT DO Bộ giám sát nồng độ DO trong aquaponics được thiết ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG kế với chức năng cho phép đặt ngưỡng trên, ngưỡng Hệ thống giám sát và điều khiển cho mô hình dưới của DO và đưa ra cảnh báo khi nồng độ DO vượt aquaponics được kiểm tra hoạt động tại trang trại ngưỡng cho phép. Sử dụng cảm biến DO SV1.0 để đo trồng rau thủy canh Đồng Tháp Aqua. Phương pháp nồng độ ôxy hòa tan trong nước. Lưu đồ thuật toán và thực hiện kiểm tra hoạt động của hệ thống gồm các giao diện giám sát trực tuyến nồng độ DO được trình bước: lắp đặt hệ thống, thử nghiệm hoạt động giám 5
  6. Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ – Natural Sciences, 4(4):xxx-xxx Hình 5: Giao diện ứng dụng giám sát và điều khiển. (a) Giao diện điều khiển máy bơm và máy ôxy; (b) Giao diện giám sát độ pH; (c) Giao diện giám sát nồng độ DO (d) Giao diện điều khiển quạt gió và phun sương n io ct re or nc U Hình 8: Lưu đồ thuật toán giám sát độ pH sát và điều khiển, nhận xét đánh giá kết quả hoạt động của hệ thống. Lắp đặt mô hình Sơ đồ lắp đặt, thử nghiệm hệ thống giám sát và điều khiển trong mô hình aquaponics được trình bày trong Hình 14. Kết nối bộ tích hợp cảm biến đến bộ gám sát và điều khiển trung tâm. Các cảm biến pH, DO và Hình 7: Giao diện giám sát và điều khiển máy bơm cảm biến nhiệt độ nước được đặt trong bể nuôi thủy và máy ôxy sản để giám sát độ pH, nồng độ DO và nhiệt độ nước và thiết lập chế độ hoạt động Auto để tự động cảnh báo khi các thông số này vượt ngưỡng cho phép. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí được đặt trong nhà 6
  7. Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ – Natural Sciences, 4(4):xxx-xxx n Hình 9: Giao diện giám sát độ pH io Hình 11: Giao diện giám sát DO ct re or nc U Hình 10: Lưu đồ thật toán giám sát nồng độ DO màng để đo thông số nhiệt độ, độ ẩm đồng thời điều khiển quạt gió và phun sương để đảm bảo nhiệt độ và độ ẩm trong nhà màng được ổn định. Các máy bơm đặt trong bồn hồi để bơm nước vào các bể nuôi thủy sản nhằm đảm bảo sự lưu thông dòng nước trong hệ Hình 12: Lưu đồ thật toán điều khiển quạt gió, phun thống aquaponics. Các máy ôxy được bố trí để cung sương theo nhiệt độ, độ ẩm không khí cấp ôxy cho bể nuôi thủy sản nhằm đảm bảo lượng ôxy hòa tan luôn được duy trì ở mức thích hợp cho thủy sản phát triển tốt. 7
  8. Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ – Natural Sciences, 4(4):xxx-xxx n Hình 14: Lắp đặt hệ thống giám sát và điều khiển trong mô hình aquaponics io ct Xác định thời gian luân chuyển nước giữa các máy bơm Trong một chu kỳ tuần hoàn liên tục, nước được bơm re từ bồn hồi nước vào một trong ba bể nuôi thủy sản, bằng hệ thống điều khiển thời gian. Thời gian bơm vào mỗi bể thủy sản được lập trình tùy theo lượng cá or có trong mỗi bể, nhằm đảm bảo phân thải của cá được đưa ra ngoài một cách tối ưu nhất. Thời gian bơm nước vào mỗi bể thủy sản được tính toán theo phương nc pháp: lượng nước mỗi lần bơm bằng với lượng nước có trong bể. Máy bơm được lựa chọn với lưu lượng 12 m3 /h. Thời gian bơm cho mỗi bể cá được tính toán và cho máy bơm chạy lần lượt theo thứ tự và thời gian U bơm như trình bày trong Bảng 1. Bảng 1: Thời gian luân chuyển nước giữa các máy bơm. Thứ tự bơm Thứ tự Thời gian Lượng bể thủy bơm nước sản luân chuyển Máy bơm 1 B1 30 phút 6 m3 Máy bơm 2 B2 30 phút 6 m3 Hình 13: Giao diện chức năng điều khiển quạt gió Máy bơm 3 B3 20 phút 4 m3 và phun sương Tổng: 80 phút 16 m3 Thời gian bơm của từng máy bơm có thể điều chỉnh cho phù hợp với lượng nước luân chuyển cần thiết. 8
  9. Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ – Natural Sciences, 4(4):xxx-xxx Tương tự chúng tôi thực hiện kiểm tra hoạt động của máy oxy theo các chế độ hoạt động. Đặt cho máy bơm oxy liên tục hoặc theo thời gian luân chuyển giữa các máy oxy. Giám sát độ pH Thực hiện đo pH trực tiếp trong bể thủy sản sử dụng đồng thời cảm biến đo pH của bộ giám sát và máy đo pH (Hanna) (Hình 15) để so sánh với kết quả đo giữa hai thiết bị. Kết quả đo được trình bày trong Bảng 2. n Hình 16: Đo nồng độ DO trong bể thủy sản io Trong hệ thống aquaponics, nồng độ DO tối ưu cho mỗi sinh vật phát triển tốt nhất nằm trong khoảng từ ct Hình 15: Đo độ pH trong bể thủy sản 5 mg/L – 8 mg/L và nhiệt độ nước nằm trong khoảng 18 o C - 30 o C. Qua kết quả đo đạt được cho thấy rằng re nồng độ DO và nhiệt độ nước trong bể nuôi thủy sản Bảng 2: Kết quả đo độ pH. đều nằm trong ngưỡng cho phép. Nồng độ DO đo từ cảm biến DO của bộ giám sát và đo từ máy đo DO Thời gian đo Cảm biến pH Máy đo pH (Milwaukee) chênh lệch nhau gần 1 mg/L. Nhiệt độ or (hh:mm) (bộ giám sát) (Hanna) nước đo trên bộ giám sát và trên máy đo nhiệt độ nước 13:45 5,46 5,37 (Hanna) lệch nhau không đáng kể. 13:50 5,39 5,32 nc Điều khiển quạt gió và phun sương 13:55 5,32 5,33 Thực hiện việc điều khiển quạt gió và phun sương dựa 14:00 5,26 5,27 trên ngưỡng nhiệt độ và độ ẩm không khí trong nhà màng aquaponics. Đặt ngưỡng nhiệt độ không khí ở U 14:05 5,22 5,23 28 o C, nếu giá trị nhiệt độ không khí vượt ngưỡng 14:10 5,27 5,24 cho phép thì hệ thống sẽ đóng rơ le để bật quạt thông gió, ngược lại thì ngắt rơ le để tắt quạt thông gió. Đặt Kết quả đo độ pH trong bể thủy sản cho thấy giá trị ngưỡng độ ẩm không khí ở 70 %, nếu giá trị độ ẩm độ pH đo được từ cảm biến của bộ giám sát và từ máy không khí thấp dưới ngưỡng cho phép thì hệ thống sẽ đo pH (Hanna) gần bằng nhau tại cùng một thời điểm đóng rơ le để bật phun sương, ngược lại thì ngắt rơ le đo. Giá trị độ pH trung bình là 5,3 thấp hơn ngưỡng để tắt phun sương. Kết quả kiểm tra hoạt động được cho phép của pH (ngưỡng pH từ 6 - 7) nên hệ thống trình bày trong Hình 17, thời gian đáp ứng tự động giám sát đã bật LED cảnh báo trên ứng dụng di động. bật tắt thiết bị khi vượt ngưỡng khoảng 2 giây. Nhận xét đánh giá kết quả hoạt động của hệ thống: Giám sát nồng độ DO và nhiệt độ nước Hệ thống giám sát và điều khiển được thử nghiệm Thực hiện đo nồng độ DO và nhiệt độ nước trong bể thực tế tại trang trại trồng rau thủy canh Đồng Tháp thủy sản sử dụng đồng thời cảm biến đo DO, cảm biến Aqua. Các dữ liệu được thu thập liên tục từ các cảm nhiệt độ nước của bộ giám sát và máy đo DO (Mil- biến truyền lên ứng dụng người dùng trên điện thoại waukee), máy đo nhiệt độ nước (Hanna), Hình 16. thông minh. Các thông số trong mô hình aquaponics Kết quả đo được trình bày trong Bảng 3. (pH, DO, nhiệt độ nước) được đo đạt bằng các cảm 9
  10. Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ – Natural Sciences, 4(4):xxx-xxx Bảng 3: Kết quả đo nồng độ DO. Thời gian Cảm biến DO của bộ Máy đo DO Milwau- Cảm biến nhiệt độ nước Máy đo nhiệt độ (hh:mm) giám sát kee (mg/L) của bộ giám sát (o C) nước Hanna (o C) (mg/L) 14:40 5,0 5,6 30,9 30,5 14:45 4,7 5,9 31,0 30,6 15:30 5,4 6,4 31,0 30,6 15:35 5,4 6,4 31,1 30,5 15:40 5,3 6,3 31,3 30,6 aquaponics. Hệ thống cho phép giám sát các thông số môi trường trong mô hình aquaponics như: độ pH, nồng độ DO, nhiệt độ và độ ẩm không khí, nhiệt độ nước và đồng thời đưa ra cảnh báo khi vượt ngưỡng cho phép. Bên cạnh đó hệ thống có thể điều khiển tự n động theo các thông số đã cài đặt trước hoặc người dùng có thể tự điều khiển bằng các nút nhấn trên ứng io dụng trên điện thoại thông minh. Hệ thống được thiết kế theo từng module phần cứng và firmware sau đó tích hợp lại thành bộ giám sát và điều khiển. Thiết ct kế ứng dụng người dùng trên điện thoại thông minh sử dụng Blynk App. Hệ thống giám sát và điều khiển được thử nghiệm thực tế tại trang trại trồng rau thủy re canh Đồng Tháp Aqua. Kết quả đo đạt từ các cảm biến của bộ giám sát được so sánh, đánh giá với kết quả đo từ các máy đo chuyên dụng. Qua đó cho thấy or sự chênh lệch của các thông số không đáng kể giữa bộ giám sát và máy đo chuyên dụng. Hệ thống giám sát và điều khiển đáp ứng được yêu cầu trong mô hình nc aquaponics. Đây là một giải pháp góp phần làm tăng năng suất, chất lượng của cây trồng, vật nuôi, loại bỏ sự can thiệp bằng tay và tối giản chi phí sản xuất so Hình 17: Giao diện chức năng điều khiển quạt gió và phun sương với phương thức giám sát và điều khiển thủ công. U LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu được tài trợ bởi Chương trình Khoa học biến của bộ giám sát và các máy đo chuyên dụng tại và Công nghệ phục vụ phát triển bền vững vùng Tây cùng một thời điểm để làm cơ sở so sánh kết quả đo. Nam Bộ (Mã số: 25/2018/HĐ-KHCN-TNB.ĐT/14- Qua đó cho thấy các thông số đo đạt được có sự chênh 19/C37). lệch không đáng kể giữa bộ giám sát và máy đo chuyên dụng. Hầu hết các thông số trong mô hình aquapon- DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ics đều nằm trong ngưỡng cho phép. Các trường hợp IoT (Internet of Things): Internet vạn vật thông số vượt ngưỡng đều được hệ thống cảnh báo kịp DO (Dissolved Oxygen): ôxy hòa tan thời cho người dùng để có phương án xử lý thích hợp nhằm đảm bảo cho hệ thống aquaponics hoạt động MCU (Micro Controller Unit): vi điều khiển ổn định. pH (Power of Hydrogen): độ hoạt động của hydro VDC (Volt DC): nguồn điện một chiều KẾT LUẬN BNC (British Naval Connector): đầu kết nối dây cáp Hệ thống giám sát và điều khiển dựa trên công nghệ đồng trục IoT đã được thiết kế nhằm ứng dụng trong mô hình LED (Light Emitting Diode): điốt phát quang 10
  11. Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ – Natural Sciences, 4(4):xxx-xxx XUNG ĐỘT LỢI ÍCH 3. Naser BAA, Saleem AL, et al. Design and construction of smart IoT-based aquaponics powered by PV cells. International Jour- Các tác giả cam kết không có bất kỳ xung đột lợi ích nal of Energy and Environment (IJEE). 2019;10(3):127–134. nào trong công bố bài báo. 4. Dutta A, Kumar S. IoT based Aquaponics Monitoring System. 1st KEC Conference Proceedings. 2018;1:75–80. 5. Gondchawar N, Kawitkar DRS. IoT based Smart Agriculture. ĐÓNG GÓP CỦA TÁC GIẢ International Journal of Advanced Research in Computer and - Nguyễn Chí Nhân: thiết kế phần cứng, xây dựng Communication Engineering. 2016;5(6):838–842. Available from: 10.17148/IJARCCE.2016.56188. thuật toán và chương trình cho bộ giám sát và điều 6. Supriadi O, Sunardi A, Baskara HA and Safei A. Controlling pH khiển, soạn bản thảo và hoàn thiện bản thảo, phản and temperature aquaponics use proportional control with hồi các câu hỏi, yêu cầu của phản biện và ban biên tập Arduino and Raspberry. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2019;550:012016. Available from: https: tạp chí. //doi.org/10.1088/1757-899X/550/1/012016. - Nguyễn Phước Hoàng Khang: hỗ trợ thiết kế phần 7. Rakocy JE, Masser MP, Losordo TM. Recirculating aquaculture cứng bộ giám sát và điều khiển. tank production systems: Aquaponics - integrating fish and plant culture (PDF) (454). Southern Regional Aquaculture Cen- - Nguyễn Hoàng Quân: hỗ trợ lắp đặt và thử nghiệm ter. Retrieved. 2013;. hoạt động của hệ thống. 8. Rakocy JE, Shultz RC, Bailey DS, Thoman ES. M.A. Nichols, - Nguyễn Văn Hiếu: hỗ trợ đo đạt các thông số môi ed. Aquaponic production of tilapia and basil: Comparing a batch and staggered cropping system(PDF). Acta Horticul- trường trong mô hình Aquaponics. turae. International Society for Horticultural Science (648). - Hồ Thanh Huy: hỗ trợ thiết kế hệ thống giám sát và Archived from the original (PDF) on June 12, 2013. Retrieved điều khiển, phân tích dữ liệu, so sánh và đánh giá các April 24, 2013. . 2004;Available from: https://doi.org/10.17660/ n ActaHortic.2004.648.8. thông số đo đạt. 9. Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus, Alessandro Lovatelli. Small-scale aquaponic TÀI LIỆU THAM KHẢO io food production Integrated fish and plant farming. Food and 1. Nhân NC, Tuấn PN, Hoàng NH. Mạng cảm biến không dây ứng Agriculture Organization of the United Nations (FAO). Fish- dụng cho nông nghiệp công nghệ cao. Tạp chí Phát triển Khoa eries And Aquaculture Technical. 2014;p. 589. học và Công nghệ - Khoa học Tự nhiên. 2019;3(4):259–270. 10. Ermi M, Syufrijal, Muhammad R. Internet of Things (IoT): ct 2. Oommen AK, Saji A, Joseph S, Kuriakose PB. Automated Water Quality Monitoring System for Aquaponics. Interna- tional Research Journal of Engineering and Technology (IR- JET). 2019;6(5):7832–7841. BLYNK Framework for Smart Home. 3rd UNJ International Conference on Technical and Vocational Education and Train- ing . KnE Social Science. 2018;p. 579–586. Available from: https://doi.org/10.18502/kss.v3i12.4128. re or nc U 11
  12. Science & Technology Development Journal – Natural Sciences, 4(4):xxx-xxx Open Access Full Text Article Research Article Design of a monitoring and control system for Aquaponics based on Iot technology Nguyen Chi Nhan1,2,* , Nguyen Phuoc Hoang Khang2 , Nguyen Hoang Quan1 , Nguyen Van Hieu1 , Ho Thanh Huy1 ABSTRACT This paper presents the design of environmental monitoring and control system in aquaponics based on Internet of Things (IoT) technology. This system allows users to monitor and control Use your smartphone to scan this the operation of devices through the application on smartphones, including: 3 water pumps, 3 air QR code and download this article pumps, pH sensor, dissolved oxygen (DO) sensor, temperature sensor and humidity sensor, exhaust fan and misting. These devices are monitored and controlled in two modes: automatic and manual control. For 3 pumps and 3 air pumps, in automatic mode, allows the user to set the pump time between water pumps and between air pumps. In manual control mode, allows the user to control water pumps and air pumps by the push of a button on a smartphone application. Monitor pH, DO and allows the user to set the pH threshold and DO threshold to give an alert when the pH and DO n exceed the threshold. Monitor the parameters of temperature, humidity in the membrane house and allow setting the temperature threshold and humidity threshold to control the exhaust fan and io misting respectively when the temperature and humidity exceed the threshold. This system tested at aquaponics farm - Dong Thap Aqua. The results show that this system is working reliably and promising which brings significantly benefits to aquaponics. Besides, it also contributes to improve production efficiency and sustainable development of green agriculture. ct Key words: Internet of things (IoT), monitoring system, remote control, aquaponics re 1 Faculty of Physics and Engineering Physics, University of Science, VNU-HCM 2 or Integrated Circuits Design Laboratory, University of Science, VNU-HCM Correspondence nc Nguyen Chi Nhan, Faculty of Physics and Engineering Physics, University of Science, VNU-HCM Integrated Circuits Design Laboratory, University of Science, VNU-HCM U Email: ncnhan@hcmus.edu.vn History • Received: 9-9-2020 • Accepted: 21-10-2020 • Published: xx-10-2020 DOI : Copyright © VNU-HCM Press. This is an open- access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International license. Cite this article : Nhan N C, Khang N P H, Quan N H, Hieu N V, Huy H T. Design of a monitoring and control system for Aquaponics based on Iot technology. Sci. Tech. Dev. J. - Nat. Sci.; 4(4):xxx-xxx. 1
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2